微波輻射計中異步量化技術的可行性分析

蘇福順，吳瓊之，孫 林，邢 洋

（北京理工大學信息與電子學院，北京100081）

微波輻射計中異步量化技術的可行性分析

蘇福順，吳瓊之，孫 林，邢 洋

（北京理工大學信息與電子學院，北京100081）

在微波綜合孔徑輻射計的數字相關處理系統中，多通道高速模數轉換是關鍵環節。傳統量化技術都采用具有同步邏輯的模數轉換器，其性能優越，但消耗的系統資源相對較大，無法適應實際星載、機載等特殊環境要求。提出的異步量化技術能極大地簡化系統設計，帶來資源的節約，使得大規模的微波綜合孔徑輻射計系統可向實用方向發展。重點比較同步量化和異步量化技術在微波綜合孔徑輻射計中的差異，從理論上闡述異步量化技術引入的可行性，并通過Matlab建模仿真給出仿真結果驗證理論分析的正確性。

異步量化；微波輻射計；數字相關器；仿真

0 引 言

微波遙感通過非接觸方式對地物的微波特性進行測量和分析，從而得到目標特性參數［1］。綜合孔徑輻射計技術是提高微波遙感器空間分辨力的有效途徑，其核心部件是復相關器［2］。數字相關器對信號進行量化，再使用數字邏輯器件完成相關處理。量化結果直接關系到數字相關器的運算結果，因此量化技術對數字相關系統的性能有很大的影響［3］。

量化器是數字相關器中各通道資源的主要消耗源。欲提高圖像空間分辨力需要增加相關通道數［4］，當系統的通道數目很多時，每個通道上的資源優化能極大地降低系統總資源消耗［5］。

量化技術的性能和資源消耗通常是一對矛盾［6］，因此量化技術的優化在綜合孔徑輻射計中有十分重要的意義。

1 數字相關系統中的異步量化

1.1 同步量化

同步量化的量化過程在采樣時鐘驅動下完成。通常商用模數轉換器（analog to digital convertor，ADC）采用同步量化技術，同步量化原理框圖如圖1所示。

圖1 同步量化原理框圖

采樣時鐘觸發采樣后，同步量化器使用采樣保持電路對信號進行抽取，并保存抽樣值到量化結束，以保證量化過程的準確性。此外，量化結果伴隨數據同步時鐘輸出，以保證傳輸的正確性。這些機制能提高同步量化器的性能，但也增加了系統的功耗、體積、質量和系統復雜度［7］。

當量化通道很多時，總資源消耗將大大增加。同時，多個采集器分布部署需要精確的時鐘同步系統，這些因素都增加了系統的設計難度。

1.2 異步量化

為了解決多通道輻射計中同步量化電路資源消耗過大的問題，本文提出一種使用異步量化方式進行相關數據的采集。

異步量化的量化過程不受時鐘控制。后級電路利用采樣時鐘直接讀取量化結果［8］。異步量化原理框圖如圖2所示。

圖2 異步量化原理框圖

異步量化電路不需要采樣保持、同步時鐘等電路，能以簡單的電路形式實現高速量化［9］。同時，簡單的外圍電路和無需時鐘同步系統的特性能很大程度上降低資源的消耗和系統復雜度。

但是，由于缺乏采樣保持電路，異步量化器在量化時可能因為輸入信號的變化而發生誤動作［10］。

同時，由于缺乏數據同步時鐘，后級電路讀取采樣結果時，可能讀取到量化結果變化的狀態。若此結果電平值落入模糊電平區間（電平值低于數字邏輯的開門電平（UIH（min））且高于關門電平（UIL（max））），后級數字電路便無法正常識別，可能發生誤碼。

1.3 數字相關器中異步量化的可行性分析

綜合孔徑微波輻射計接收被測物體輻射出來的信號［11］，使用互相關算法進行信號檢測［12］。設物體輻射出的信號為S，信道加性噪聲為Nc。S和Nc均為高斯分布信號且獨立，故輸入量化器的信號為S＋Nc也為高斯分布信號［13］。設第n個通道中的信號為Sn＝S＋Ncn。

相關公式為

兩通道復乘值

式（2）中各項均為獨立高斯分布信號的乘積項［14］，其分布函數為

其均值為0，方差為（σxσx）2（其中，x和y表示兩相乘信號，σx和σy分別為x和y的標準差，kn（z）為修正后的第二類貝塞爾函數）［15］。

量化器完成信號的采樣量化，設量化操作加入的量化噪聲為nq，可得第n個通道量化后信號為s＋ncn＋nqn。

因此異步量化和同步量化最大的差異在于異步量化由于電路形式上的缺陷導致的誤碼行為，這在一定程度上會降低系統性能。當發生誤碼時，可以認為是在原有信號上又增加了誤碼噪聲nqn。可得異步量化后信號為snn＝s＋ncn＋nqn＋nan。量化噪聲與誤碼噪聲具有隨機性，它們與輸入信號、信噪比、異步量化實現途徑等因素相關。

相關操作本質上是對S進行匹配濾波，其頻率響應為

利用信號和不同通道的噪聲之間的不相關性，通過相關運算，信號量得到積累，噪聲能量互相抵消而提高信噪比。相關時間越長，相關結果信噪比越高。

若不同通道中異步量化引入的誤碼噪聲之間相關性足夠低，且與信號的相關性不強，誤碼噪聲就通過相關運算進行抑制。當相關點數足夠多時，異步量化的誤碼噪聲帶來的影響可以大大地降低，保證系統相關結果的準確性。

同時，如果異步量化翻轉時間減小，則相關器采到模糊電平的概率將變小，誤碼噪聲也將減少，異步量化引入的誤差也將降低。

故在理論上只要找到合理的異步量化方法，使得異步量化引入的誤碼噪聲盡可能小且與信號的相關性盡可能低，在微波輻射計中引入異步量化技術是可行的。

2 驗證系統仿真

2.1 仿真系統概述

本文以某綜合孔徑微波遙感輻射計為原型進行系統模型的構架和仿真。仿真從信號生成開始，模擬通道接收機接收信號，完成兩種量化后進行相關處理，利用控制變量法比較兩種量化方式所得相關系數的差異，從而研究兩者的區別，探討微波輻射計中異步量化技術引入的可行性。仿真的系統框圖如圖3所示。

圖3 仿真系統框圖

仿真系統參數如表1所示。

表1 系統仿真參數1）

2.2 仿真建模分析與實現

（1）信號發生與信道加噪

不失一般性，可設物體輻射出的信號滿足高斯分布，使用Matlab的高斯序列發生函數wgn（）生成信號，使用加噪函數awgn（）模擬信號在信道中受白噪聲干擾的現象。

（2）接收機

使用一個帶寬為160 MHz的巴特沃斯濾波器對加噪信號進行濾波，模擬接收機行為，其幅頻特性曲線如圖4所示。

圖4 接收機幅頻特性曲線

本系統采用三階量化，原始信號被量化為－1，0，1共3種離散狀態。根據熵最大準則［16］，選擇±（0.44× σ＋μ）作為量化門限，保證量化結果3種狀態的比例為1∶1∶1，以達到最佳量化結果（σ為信號的標準差，μ為信號均值）。

（3）同步量化

同步量化以理想ADC為原型，假定其能夠精確地實現量化和數據傳輸，根據參考門限和輸入信號的幅值進行抽樣、量化、編碼即可完成其建模。

（4）異步量化

三階異步量化建模以雙比較器電路為原型，其電路如圖5所示。它使用兩個電源芯片生成輸入電平到兩個比較器反相端為異步量化提供參考電壓，信號輸入比較器同相端進行量化。根據兩個參考電壓和輸入信號大小關系，信號被量化為00，01，11共3種狀態。

圖5 三階異步量化電路

理想比較器的輸出只由當前輸入和參考電壓大小關系決定。但現實使用的比較器是非理想的，當輸入發生變化時，輸出需要一段時間響應，稱為比較器的翻轉時間。即非理想比較器是記憶系統，當前輸出與系統之前若干個狀態和當前輸入相關，如圖6所示。其量化過程與參考電平設置、比較器翻轉時間、輸入信號等相關。

圖6 非理想比較器量化過程

異步量化比較器輸出如圖7所示。

圖7 異步量化比較器輸出

在翻轉狀態下，比較器輸出不是嚴格的數字高或數字低。后級電路讀取到模糊電平時有一定概率發生誤碼。在仿真中，將采樣值落入模糊電平區間的信號以p＝0.5的（0，1）分布取0值或者1值。

對信號進行異步量化、采樣、編碼后便完成異步量化的建模。

（5）數字相關器

根據數字復相關公式

使用數字乘法器和累加器構建數字相關器的數學模型，對兩通道信號進行相關處理。

（6）差異比較模塊

使用相關系數歸一化兩通道間相關結果。

式中，ρ為相關系數；s1，s2表示兩通道的信號；Corr（）為復相關運算。

仿真系統仿真得出的相關結果是一個隨機過程，差異比較模塊對每種仿真條件進行10次仿真并取相對誤差均值。相關系數相對差值

式中，ρsyn和ρasyn分別為使用同步量化結果和異步量化結果計算的相關系數均值。

2.3 各因素對量化結果差異的影響

相關點數與翻轉時間之影響在信噪比為0 dB，相關器采樣率為500 M Hz的條件下，不同相關點數和比較器翻轉時間長度計算得到的10次相關系數相對差值均值如表2所示。

表2 仿真結果

對相關時間長度為0．5μs時，比較器翻轉時間的變化對相關結果的影響如圖8所示。

圖8 比較器翻轉時間對相關結果的影響

比較器翻轉時間為50 ps時，不同相關時間對相關結果的影響如圖9所示。

圖9 相關時間對相關結果的影響

根據以上仿真結果可以看出，減小異步量化電路翻轉時間，同時提高系統采樣率或增加相關時間長度以增加相關點數時，異步量化和同步量化的差異會逐漸減小，與理論分析結果相同。

3 結束語

當條件優化到一定程度時，同步量化和異步量化的差異將降得足夠低，不引起系統性能的惡化，認為同步量化和異步量化具有相同的量化性能。因此，只要找到合理的異步量化器，選擇適當的系統參數，就能夠在微波輻射計中引入異步量化技術，以相對更小的資源消耗和系統復雜度來實現量化操作。即在數字相關系統中引入異步量化技術具有可行性。

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Feasibility analysis of asynchronous quantization in microwave synthetic aperture radiometer

SU Fu-shun，WU Qiong-zhi，SUN Lin，XING Yang
（School of Information and Electronic，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Quantization technology for multiple channels is crucial in the microwave synthetic aperture radiometer．Traditional quantization technology applies analog digital convertors（ADC）with synchronous logics，which owns excellent performance while costs too much resource，and cannot adapt to special applications like satellites or aircraft．Asynchronous quantization can simplify the system and reduce the resource cost by large degree，which makes the microwave aperture radiometer more feasible in practice．This paper focuses on the difference of synchronous quantization and asynchronous quantization，studies the feasibility of introducing asynchronous quantization to the digital correlation system in theory，and then uses the matlab to build a model and make simulation to verify the theory validity．

asynchronous quantization；microwave radiometer；digital correlator；simulation

TN 79＋2

A

10．3969／j．issn．1001-506X．2015．04．07

蘇福順（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向為數字信號處理、綜合孔徑輻射計與機器學習。E-mail：zachsufushun＠gmail．com

吳瓊之（1977 ），男，講師，博士，主要研究方向為數字信號處理、微波散射計與綜合孔徑輻射計。E-mail：wqz_bit＠bit．edu．cn

孫 林（1987-），男，講師，碩士，主要研究方向為數字信號處理、SAR與綜合孔徑輻射計。E-mail：sunlinrapid＠163．com

邢 洋（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向為PCIE、綜合孔徑輻射計。E-mail：xingyang1989＠sina．cn

1001-506X（2015）04-0763-05

2014- 04- 17；

2014- 08- 19；網絡優先出版日期：2014- 09- 22。

網絡優先出版地址：http：／／w ww．cnki．net／kcms／detail／11．2422．TN．20140922．1654．004．html